Étude expérimentale et numérique d'une sonde de prélèvement isocinétique en écoulement diphasique dense : application à la granulométrie des produits de combustion des propulseurs à propergol solide

Experimental and numerical study of an isokinetic sampler in a dense two-phase flow : size and concentration measurement of condensed combustion products in solid rocket motors

• Auteur / Autrice : Rodolphe Friemel
• Direction : Gérard Lavergne, Michel Prévost
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et transferts
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : École nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 1972-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium

Combustion

Propergols solides

Propulsion par réaction

Écoulement diphasique

Sondes électroniques

Échantillonnage

Mots clés libres

Prélèvement isocinétique

Sonde à bord épais

Couplages diphasiques

Résumé

Mesurer la granulométrie de la phase condensée (gouttes d'alumine) des produits de combustion des moteurs spatiaux à propergol solide est nécessaire pour résoudre les problèmes d'oscillations de poussée et de dépôts. La technique envisagée pour cette mesure utilise une sonde de prélèvement isocinétique. Pour en comprendre les mécanismes de fonctionnement, nous étudions l'effet de la forte concentration des particules sur l'efficacité d'aspiration d'une sonde. Un banc expérimental produit des rafales brèves d'un mélange dense d'air et de poudre (rapport massique entre 0,1 et 1), échantillonné en parallèle par une sonde de test et une sonde de référence parfaitement isocinétique. En complément, un modèle numérique de l'entrée de la sonde permet de discerner les phénomènes locaux. Il apparaît qu'en configuration super-isocinétique, les particules ayant rebondi sur le bord d'attaque de la sonde sont aspirées et provoquent un excès de concentration mesurée. Une nouvelle expression analytique de l'efficacité d'aspiration permet de quantifier ce phénomène. Expérimentalement, cet effet est progressivement atténué par l'augmentation de la concentration des particules, en raison de l'augmentation des couplages diphasiques, qui réduisent la capacité des particules à suivre le fluide porteur : transfert de quantité de mouvement des particules vers le fluide, collisions entre particules, effet de sillage entre particules voisines. Les simulations numériques d'une sonde à bord épais mettent en évidence la prédominance des particules ayant rebondi avant d'être aspirées, et permettent de proposer une technique d'aspiration fortement sub-isocinétique pour eviter ce phénomène.